| 真空断路器在中国应用的经验 |
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由于额定电流主要由真空隔离器承担，大大降低了真空灭弧室在额定电流下的负担，对 真空灭弧室非常有利。另外由于触头为插入式，因此不存在触头弹跳的问题，这在很大程度上避免了熔焊。即使发生熔焊，由于触头打开时的力与熔焊方向垂直，因此仅需很小的力即 可拉开触头，因此大大减轻了操动机构的负担，同时也降低了整机的成本。真空隔离器现已完成了产品设计，样品正在试制中。由于温升是真空隔离器最关心的内容，因此下一步的工作，将利用温度场有限元分析软件，对其温升进行计算。
在这种新型真空发电机断路器中，使用的真空灭弧室，为中国第一个具有自主知识版权的真空灭弧室——铁心式两极纵向磁场电极结构的真空灭弧室。试验表明，这种新型真空灭 弧室具有很强的开断能力，完全可胜任开断发电机组出现故障时的短路电流的要求。
铁心式两极纵向磁场电极结构的真空灭弧室的电极结构如图8所示。图中把铁心移开以便看清电 极结构。当电流I从上导电杆1流入后，经上拐臂2到上触头片3，通过上触头片3流向电弧4， 至下触头片5，再到下触头片6，最后由下导电杆7流出。由于上下拐臂中的电流向同一方向 流动，它们产生的磁通将垂直穿过两个触头间的空隙，铁心的磁导率很高，因此这种结构可 产生较强磁场。磁场的方向在拐臂两侧是相反的。
由于纵向磁场对真空电弧等离子体的控制技术，是提高纵向磁场真空灭弧室开断能力的核心技术，它可保持真空电弧在大电流下仍处于扩散状态。因此对铁心式两极纵向磁场电极 结构真空灭弧室的纵向磁场，进行详细的分析是很有意义的。Vector Fields软件包，是国 际上著名的电磁场有限元分析软件，利用该软件对铁心式两极纵向磁场电极结构真空灭弧室 的纵向磁场的计算表明，这种结构可产生很强且较均匀的纵向磁场。图9为触头间隙正中间 与触头片平行平面上的三维静态纵向磁场。当电流为40kA时此平面上纵向磁场最大值为1.44 T，这比其他许多真空灭弧室的纵向磁场要大得多，而且分布较均匀。真空电弧在不同的纵 向磁场下会呈现出不同的形态。用Vector Fields软件包对此灭弧室交变磁场的分析表明， 在铁心中可感应出较大的涡流。由于涡流的存在对成功开断不利，因此应尽量减小涡流的影 响。采用铁心叠片的方法可有效地抑制涡流。计算表明，当铁心叠4片时(间距0.2mm)，在电 流峰值时的涡流最大值是铁心不叠片情况的17.8％。而铁心叠10片时(间距0.2mm)，电流峰 值时涡流最大值是铁心叠4片时的56.7％。由此可见，可通过铁心叠片的方式来抑制涡流， 有效地提高铁心式两极纵向磁场电极结构真
空灭弧室的开断能力。另外，通过数值分析的方 法还找到了一些可继续提高该真空灭弧室开断能力的途径，这些将在下一步的工作中进行。
这种新原理的真空发电机断路器操动机构，是一种新型的操动机构，它是一种弹簧操动 机构，利用一种有效的方法，使真空隔离器VD和真空灭弧室VI先后动作，满足设计要求。由 于VD先分开，当电流全部转到VI后，VI才能打开，因此操动机构必须与此要求相适应。这里 的关键问题是电流能否转移及转移时间。其中转移时间与操动机构的设计参数密切相关，即 操动机构两并联支路动作的时间差，必须大于电流转移时间。为此，我们专门设计了一个试 验线路来对电流转移过程进行模拟，并建立一个数学模型对电流转移过程进行仿真，以此来 探索电流转移时间的规律。电流转移试验是在合成回路上进行的，试验线路如图10所示。
在图中，Ci为合成回路电流源电容器，Li为电流源电抗器，Q为主合闸开关。当电容器 充电完毕以后，将Q闭合就可将电流引入VD、VI支路。VD、VI都处于闭合状态，当电流通过 的某一瞬间，VD打开，这时电流发生转移，全部电流通过VI支路。FL和FL1为分流器，分别 测量总电流和VD电流。试验中还测量了VD上电压。试验电流最大为24kA，结果表明，在给定 的试验参数下(如表1所示)，电流每次均能够顺利转移，转移时间为1～2ms。图11为电流转 移过程的典型示波图。
图11所示情况的仿真结果如图12a和图12b所示。仿真结果与试验结果较为接近。在下一 步工作中，我们将利用Pspice电路分析软件，对电气参数、电流特性等因素对电流转移时间 的影响，做进一步的分析。
3.3 110kV、1250A和31.5kA真空断路器的开发
近10多年来西安交通大学对110kV及以上电压等级的高压真空断路器作了国内外调查和分析 工作，并进行了广泛的探索、理论研究、计算和实际开发试制工作等。
据悉，美国通用电气公司早在60年代初，曾采用多个真空灭弧室串联制成高压和超高压真空 断路器和真空负荷开关，并实际投入了相应的电力系统上运行。这种高压断路器分别由3、7 、11和14个真空灭弧室组成145kV、362kV、550kV和800kV的真空断路器。俄罗斯于1990年生 产了由四个35kV的真空灭弧室组成110kV、25kA的真空断路器，亦在实际的电力系统上投入 运行。1980年美国通用电气公司正式生产了双断口的168kV、40kA真空断路器。1980年日本 日立电气公司制造出123kV、31.5kA单断口的真空断路器。1987年日本东芝电气公司开发了1 45kV、31.5kA的单断口真空断路器和168kV双断口的真空断路器。
从上述调查和分析结果，按现有国内的制造技术来看，要制造出单断口的110kV和220kV电压 等级的高压真空断路器是完全可能的，经过一番努力研制出双断口的500kV电压等级的真空 断路器也是可能的。根据我们的理论分析和设计计算对于开发110kV和220kV的真空断路器过 程中的实践经验，认为只要合理地解决真空灭弧室的内部电场均匀分布和解决采用纵向磁场 结构电极的磁场强度问题，实现高电压等级的真空断路器也是可能的。
根据我国国内真空灭弧室制造厂的设备条件，决定先用两个63kV真空灭弧室串联组成110kV 双断口真空断路器。图13所示为63kV真空灭弧室的剖面结构图，图中5为主触头，2为陶瓷外 壳，4为主屏蔽罩，1为动端波纹管，7为均压屏蔽罩，12为静端缓冲波纹管，9为动导电杆， 3为静端导电杆，6为均压屏蔽罩和11为端部均压屏蔽罩。图14所示为63kV真空灭弧室的电场 计算结果的电场分布图。目前设计的外屏蔽罩式真空灭弧室，已能满足63kV电压等级的各项 标准要求。双断口的110kV真空断路器设计了二种不同的结构方案，如图15所示。图中方案a 正在试制中，真空灭弧室排列呈V形布置，总高度为2500mm。图中b已由北京开关厂试制完成 ，真空灭弧室排列呈垂直布置，总高度为2650mm，将准备在我国西安高压电器检测中心进行 全面的型式试验。
双断口110kV户外真空断路器的操动机构采用了电动弹簧式操动机构，由一个操动机构带动三相连动。平均分闸速度为2.4m/s，平衡合闸速度为1.8m /s。在此基础上，西安交通大学真空电弧理论研究中心，已对220kV电压等级的真空断路器的研 制工作作了大量的理论探讨，并对真空灭弧室的具体结构进行了分析和设计，利用三维电磁 场随时间变化的过程作了估计，得出了较合理的电极间纵向磁场的分布。图16所示为115kV 真空灭弧室置于绝缘筒内的布置情况。为了获得较强和较均匀的纵向磁场，已将产生纵向磁 场线圈布置在真空灭弧室外壳中部，同时主屏蔽罩采用具有抗涡流作用的特殊结构和特殊材 料制造。220kV双断口真空断路器的设计方案，它采用了并联电容器作为真空灭弧室的支撑 结构，以减轻真空灭弧室单臂悬挂下垂的分力 |
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